本实用新型涉及污水处理技术领域，具体涉及一种标准模块化填料及水平潜流人工湿地。
背景技术：
人工湿地是一种污水生态处理工艺的典型代表，它是由人工建造和控制运行的湿地类型。根据水体流动方式的不同设置，人工湿地可分为表面流人工湿地、垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地。将污水通过自然或人工方式引入人工湿地后，人工湿地可利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学和生物多重协同作用，对污水进行处理，人工湿地作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽和养分吸收以及各类动物作用等。在这些单元中，湿地填料起着决定性骨架作用，特别是对潜流人工湿地类型。首先潜流人工湿地填料具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用，可以将水体中的悬浮物和多价态水溶性离子有效去除；其次人工湿地填料为植物和微生物的生长提供了必备的生境条件，在填料上固定生长的植物和微生物可利用人工湿地中水力停留时间较长的优势实现对污水中有机物和营养盐的高效去除。目前，针对不同污水类型，多种物质已被选用为湿地填料，例如土壤、火山岩、煤渣、红壤、砖块、海蛎壳、沸石、陶粒、卵石等。这些传统填料根据其自身物化结构特征，所展现出的污水处理效果也有所不同，但它们的共性特征为无统一形状结构，粒径大小难以统一，添加到人工湿地后系统孔隙率与水力流态无法准确控制。
如上所述，填料为人工湿地的建设主体，如何将填料合理配置在人工湿地中是该技术工程应用的重点实施工作。传统的填料配置方法为，将不同传统填料以级配方法自然堆积在人工湿地内部，填料级配方法实施主要就是将粒径较大的填料添加在湿地底部，随着填料不断层级添加，上层填料粒径不断减小。然而在这种传统模式下，施工人员无法标准化实现填料配置有效性，污水在人工湿地中容易存在流动死区，从而减小填料吸附面积、降低微生物反应速率及缩短人工湿地中水力停留时间。同时，污水中较高悬浮物含量也会对该传统类型人工湿地堵塞及吸附饱和情况提出考验，一旦发生堵塞和吸附饱和情况无法准确判定堵塞和饱和地点，并且由于级配方法的实行无法实现对人工湿地系统的有效快捷清理，只能通过大面积填料更换来进行解决，费时费力。因此，如可实现人工湿地内填料合理化配置成为该技术领域的创新重点。目前，为提升填料在人工湿地中合理配置效果，已出现了一些创新技术，主要包括以下模式：(1)中国专利cn201620930744.8和cn201010103907.2公开了在人工湿地内部添加导流板，实现水体流动可控化，减小流动死区面积；(2)中国专利cn201710592551.5、cn201610960836.5和cn201620453338.7公开了通过人工笼箱将人工湿地进行分割，之后在每个笼箱内添加传统湿地填料，从而使人工湿地形成模块化建设效果，易于后续管理；(3)中国专利cn201710976540.7公开了构建标准化填料产品，之后将该标准化填料产品加入到人工湿地系统内，实现人工湿地真正的模块化构建。
上述3种技术改进模式虽可对人工湿地实施效果实现改进，但其仍存在一定的问题。例如，模式1和模式3虽可通过导流板或笼箱模块设置实现水力流态的人为控制，但考虑各个局部单元填料仍为传统自然级配堆积方式填充，因此人工湿地仍会存在一定的运行死区，人工湿地内生物降解效果较差，并且填料之间堆积孔隙度的差异还会导致目前模拟预测技术难以应用到此类型人工湿地评价过程之中。模式3虽可解决上述问题，但现存的标准化填料产品所形成的人工湿地仍存在以下问题：(1)在大规模应用情况下，标准模块化填料产品如直接放置在人工湿地内部，会导致填料间压差不稳定，局部区域容易发生坍塌现象；(2)由于标准模块化填料产品表面多为直角，该填料为微生物富集所提供的栖息场所较少，仅靠表面富集的微生物难以实现污水的高效净化；(3)为加强营养盐吸附能力，传统填料与标准模块化填料产品通常为碱性硬质材料制作而成，其表面微生物富集能力较弱；(4)应用标准模块化填料产品的人工湿地在处理高悬浮物污水后，无法简单方便的实现人工湿地内沉积物的清除；(5)人工湿地处理污水过程中磷素吸附饱和为制约该技术的主要瓶颈，如何实现填料中磷素生态化与简便化安全脱除是该模式所需解决的技术问题；(6)模式3的填料主要用于处理畜禽养殖污水的治理过程，而对于城市生活污水、溢流雨污水体和黑臭河道水体并不适合，因此针对上述三种类型污水的填料标准模块化潜流人工湿地构建还有待创新设计。同时，上述(3)-(5)点问题也是模式1和2所面临的技术瓶颈。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于水平潜流人工湿地的标准模块化填料及水平潜流人工湿地，以解决传统的人工湿地存在的填料间压差不稳定，局部区域容易发生坍塌现象、污水净化效率低、填料表面微生物富集能力较弱、内部沉积物难以清除等问题。
针对上述问题，本实用新型一方面提供了一种用于水平潜流人工湿地的标准模块化填料，所述标准模块化填料包括块体，所述块体的侧面上设置有凸起，所述凸起与所述块体的侧面夹角小于80°，所述凸起与侧面之间形成有用于富集微生物的微生物富集槽。
任选的，所述块体可以是任意形式的多边体，例如长方体、正方体、六棱柱等形状。
在一些具体的实施方式中，所述块体上设置有多个凸起，所述凸起优选为2-5个/m2，沿块体的侧面由上至下均匀排列，相邻两个凸起之间的间隔为1-10cm，所述凸起的长度小于块体的长度，沿水平方向设置在块体的侧面上。
通过在标准模块化填料表面设置微生物富集槽，强化了标准模块化填料对微生物的富集效果，从而增强该类型人工湿地内部微生物净化作用能力。
在一些具体的实施方式中，所述微生物富集槽的厚度l与所述块体的厚度比为1:(1.2-5)。
优选的，所述标准模块化填料的厚度在2-10cm之间，长度与宽度在10-500cm之间。
在一些具体的实施方式中，所述标准模块化填料包括贯通所述块体的通孔，所述通孔用于扩大填料与水体接触面积，其截面为圆形或方形。
在一些具体的实施方式中，所述块体上设置有多个通孔，所述多个通孔之间平行设置。
在一些具体的实施方式中，所述通孔的总体积占所述块体总体积的10-80％。具体的，所述标准模块化填料的通孔的孔径大小及数量依据填料抗压强度(单位为牛顿，n)进行设置，标准模块化填料抗压强度应大于100n。
为了进一步加强微生物富集效果，在一些具体的实施方式中，所述微生物富集槽4内设置有用于供微生物生长富集的物化载体材料。具体的，所述物化载体包括无机类载体、有机类载体或软性纤维载体中的一种或多种。
所述标准模块化填料包括或由如下组分组成：无机胶凝材料、沸石粉和石英砂，所述无机胶凝材料、沸石粉和石英砂的重量份之比为(20-60)：(20-70)：(10-40)。
在一些具体的实施方式中，所述无机胶凝材料、沸石粉和石英砂的重量份之比为(25-50)：(30-60)：(15-20)。
在一些具体的实施方式中，所述无机胶凝材料包括碳酸钙、硫酸钙、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥和磷酸盐水泥中的一种或多种，优选为硅酸盐水泥。
在一些具体的实施方式中，所述沸石粉、石英砂的粒径大小为10-100目。
本申请综合考虑了标准模块化填料组分结构与污染物吸附、及其与微生物富集生长的相互关系，从而确定了标准模块化填料的组分结构；其中所述标准模块化填料为无机胶凝材料、沸石粉和石英砂按照上述比例混合组成，在该组分比例下标准模块化填料对城市生活污水、溢流雨污水体和黑臭河道水体中氮磷营养盐具有较高的吸附效果，并且不会导致系统内ph水平过高，填料表面微生物富集效果最佳。
根据本实用新型的一些实施方式，所述标准模块化填料还可包括火山岩、煤渣、陶粒和砾石中的一种或多种。
针对现有技术中人工湿地系统存在的问题，本实用新型一方面提供了一种水平潜流人工湿地系统，包括：
池体，所述池体中设置有本实用新型上一方面所述的标准模块化填料，以及设置在所述池体的底部的填料支撑架；其中，所述填料支撑架用于支撑所述标准模块化填料。
在一些具体的实施方式中，所述填料支撑架与池体底面之间形成有沉积物收集槽，所述沉积物收集槽用于污水中悬浮物沉降。
本申请通过设置填料支撑架，形成了可以用于污泥沉降的沉积物收集槽，可以避免沉积物堵塞湿地，通过排泥口可以便于将沉积物排出水平潜流人工湿地系统，解决了现有技术中水平潜流人工湿地易堵塞，堵塞物难以清除的问题。
优选的，所述池体和所述填料支撑架由砖混、板材、钢材或三者任意比例的材料制作而成。
在一些实施方式中，所述池体侧壁上设置有进水口、出水口和排泥口。
优选的，沉积物排放时间设定可根据入出水中悬浮物浓度差异而定，当水平潜流人工湿地稳定运行后出水中悬浮物浓度高于入水悬浮物浓度5％以上时可考虑进行排除沉积物。
在一些具体的实施方式中，所述进水口的高度高于所述标准模块化填料，优选所述进水口的高度是所述标准模块化填料高度的1.02-1.125倍；所述出水口的高度低于所述进水口高度，优选所述出水口的高度是所述标准模块化填料高度的0.95-1.019倍；所述排泥口位于所述池体底部上方，所述池体的底部的坡度为1-5％。
在一些具体的实施方式中，所述池体内间隔设置有多个标准模块化填料，所述标准模块化填料之间的间距为0.1-2cm。
在一些具体的实施方式中，所述填料支撑架高度与所述池体高度的比例为1:20-1:10。
在一些具体的实施方式中，所述填料支撑架与所述标准模块化填料接触的表面与地面平行。
在一些具体的实施方式中，所述进水口与邻近进水端的第一块标准模块化填料之间应保留一定空间，减小进水水流压力对标准模块化填料固定稳定性的影响，所述进水口7与邻近进水端的第一块标准模块化填料之间距离为10-200cm；出水口与邻近出水端的第一块标准模块化填料之间应保留一定空间，减小水流对沉积物的扰动影响，降低出水中悬浮物含量，出水口与邻近出水端的第一块标准模块化填料之间距离为10-200cm。
在一些具体的实施方式中，所述人工湿地的尺寸可按照如下比例设置：例如所述池体长度与宽度的比为8/1-1.5/1，宽度与深度的比为0.1/1-5/1，所述标准模块化填料的高度占池体深度的60-80％，所述进水口的高度是所述标准模块化填料高度的1.02-1.125倍，所述出水口的高度是所述标准模块化填料高度的0.95-1.019倍；由进水端至出水端湿地池体底部斜度为1-5％，湿地池体底部通过材料添加或土质压实进行防透处理；所述池体内间隔设置有多个标准模块化填料，所述标准模块化填料之间的间距为2cm，所述填料支撑架的高度与所述池体高度的比例为1:20-1:10，所述填料支撑架与所述标准模块化填料接触的表面与地面平行；所述进水口与邻近进水端的第一块标准模块化填料之间距离为10-200cm，所述出水口与邻近出水端的第一块标准模块化填料之间距离为10-200cm。
具体的，所述填料支撑架设置位置为沿水流方向的所述池体下方，所述填料支撑架设置数量依据湿地所用标准模块化填料宽度而定，标准模块化填料长度小于30cm时应设置1-2条填料支撑架，标准模块化填料长度每增加10-50cm应增加1条填料支撑架。
在一些具体的实施方式中，所述池体的侧壁上还设置有用于固定所述标准模块化填料的填料固定槽，优选所述填料固定槽的宽度为所述标准模块化填料宽度的1-1.1倍。
标准模块化填料与填料固定槽以插板式方法进行安装，标准模块化填料在水平潜流人工湿地内设置数量以湿地孔隙率为依据进行设定，标准模块化填料加入湿地后，湿地内部孔隙率应为10％-80％；多组标准模块化填料之间空隙设定为1-20cm，其中可添加供生物生长富集的物化载体材料，物化载体选自无机类载体、有机类载体或软性纤维载体，此方法可在上述微生物富集槽方法基础上进一步强化系统内微生物富集效果。
在一些具体的实施方式中，所述系统还包括盖板，所述盖板上设置有用于种植植物的孔。所述盖板优选以砖混、板材、钢材或三者任意比例混合的材料制备。
为保证气体交换湿地顶部盖板应设置孔，孔的总面积占盖板总面积比例1％-90％；盖板上孔可栽种植物，植物为芦苇、香蒲、美人蕉、狭叶翠芦莉或四者任意比例的混合植物群落，栽种植物孔径数量应小于或等于总孔数量的95％；此外，一种标准模块化填料的水平潜流人工湿地顶部的盖板也可以是网状的，网孔间可可栽种植物。
在一些具体的实施方式中，所述系统还包括笼箱，所述笼箱设置在所述池体内部，所述标准模块化填料设置在笼箱内部，用于强化对标准模块化填料1的支撑。
在应用面积较大情况下，可考虑通过笼箱设置方法来增强湿地内部填料的结构稳定性；其中，所述笼箱由板材、钢材或两者任意比例混合而制作，形状可为长方体或正方体。所述笼箱的需保证有4个面及以上为镂空设计，从而保证湿地内水体可进入到笼箱内。为了便于标准模块化填料的安装，所述笼箱的壁体可以设置填料固定槽，填料固定槽开口宽度依据标准模块化填料厚度而定，两者大小比例为1:1-1.1:1，填料固定槽开口深度依据标准模块化填料1长度而定，两者长度比例为1:100-1:10，填料固定槽设置数量与标准模块化填料设置数量保持一致；标准模块化填料与填料固定槽以插板式方法进行安装后，笼箱可放置在湿地内部，然后在再笼箱中放入标准模块化填料，从而强化填料支撑效果。
与现有技术比，本实用新型具有如下特点：
本申请具有特定结构的标准模块化填料，对城市生活污水、溢流雨污水体和黑臭河道水体中氮磷营养盐具有较高的吸附效果，并且不会导致系统内ph水平过高，填料表面微生物富集效果最佳；通过在标准模块化填料上设置微生物富集槽并且在微生物富集槽内放置物化载体，可解决填料标准模块化人工湿地内部微生物富集能力较弱的问题，进而强化工艺的微生物净化效果。本申请还提供了一种具体的水平潜流人工湿地系统，通过标准模块化填料产品在湿地内部的优化安装配置，提升湿地内部填料结构的稳定性，同时在池体内部设置沉积物收集槽，用于收集沉积物。
附图说明
图1为根据本实用新型一种实施方式的标准模块化填料的剖面图；
图2为根据本实用新型一种实施方式的标准模块化填料的侧视图；
图3为根据本实用新型一种实施方式的标准模块化填料的仰视图；
图4为根据本实用新型一种实施方式的水平潜流人工湿地的侧视图；
图5为根据本实用新型一种实施方式的水平潜流人工湿地的俯视图；
图6为根据本实用新型一种实施方式的水平潜流人工湿地的进水端剖面图；
图7为根据本实用新型一种实施方式的水平潜流人工湿地的出水端剖面图；
图8为根据本实用新型另一种实施方式的水平潜流人工湿地的侧视图；
图9为根据本实用新型另一种实施方式的水平潜流人工湿地的俯视图；
图10为根据本实用新型另一种实施方式的水平潜流人工湿地的进水端剖面图；
图11为根据本实用新型另一种实施方式的水平潜流人工湿地的出水端剖面图；
附图标记说明：1-填料；2-通孔；3-凸起；4-微生物富集槽；5-固定槽接口；6-池体；7-进水口；8-出水口；9-支撑架；10-排泥口；11-盖板；12-固定槽；13-沉积物收集槽；14-笼箱。
具体实施方式
请参阅图1-3，本实用新型的标准模块化填料1外形为长方体板型，厚度为2cm，长度与宽度分别为10cm和5cm；标准模块化填料1中间设置圆柱形或方形的通孔2，从而扩大填料与水体的接触面积、及优化水平潜流人工湿地中水体流动状态，通孔2总体积占填料总体积比例为60％，标准模块化填料1抗压强度为3000n；标准模块化填料1表面设置有凸起3，凸起3与标准模块化填料1表面夹角角度为50度，形成有用于富集微生物的微生物富集槽4，强化填料对微生物的富集效果，从而增强该类型人工湿地内部微生物净化作用能力，微生物富集槽4厚度l小于标准模块化填料1厚度，两者厚度比例为1:2，采用荧光定量pcr分析方法测定单位体积下填料表面16srdna拷贝数，进而评估微生物的富集效果，测试结果表明，富集槽体内16srdna拷贝数为8.32±1.56×108/g，而填料其他表面部分16srdna拷贝数仅为5.19±2.47×105/g，该结果表明富集槽体内微生物量约为其他部分的1000倍左右。
参阅图4-7，本实用新型人工湿地的尺寸可按照如下设置：所述人工湿地包括池体6，所述池体内设置有按照实施例1的方法制备的标准模块化填料1，以及设置在所述池体的底部的填料支撑架9，所述池体开设有进水口7、出水口8和排泥口10。具体的，所述标准模块化填料1的高度为80cm，所述池体6的长度为15.5m、宽度为3m、深度为1m，所述进水口7位于标准模块化填料1顶部上方10cm，出水口8位于标准模块化填料1顶部下方1cm；由进水端至出水端湿地池体底部斜度为3％，湿地池体底部通过材料添加或土质压实进行防透处理。所述湿地池体6底部设置填料支撑架9，其设置位置为沿水流方向的湿地池体6下方，填料支撑架9设置数量依据湿地池体6所用标准模块化填料1宽度而定，标准模块化填料1长度小于30cm时应设置1-2条填料支撑架9，标准模块化填料1长度每增加10-50cm应增加1条填料支撑架；所述填料支撑架的高度为5cm，所述填料支撑架9与所述标准模块化填料1接触的表面与地面平行，无斜度设定。通过设置填料支撑架9，水平潜流人工湿地底部、填料支撑架9与标准模块化填料1三者之间可形成用于污水中悬浮物沉降累积空间的沉积物收集槽13，此外水平潜流人工湿地出水端底部设置沉积物排泥口10，排泥口10距离湿地池体6底部5cm处；沿水流方向的湿地池体6两侧壁体设置填料固定槽12，填料固定槽开口宽度依据标准模块化填料厚度而定，两者大小比例为1:1-1.1:1，填料固定槽开口深度依据标准模块化填料长度而定，两者长度比例为1:100-1:10，填料固定槽设置数量与标准模块化填料设置数量保持一致。标准模块化填料1与填料固定槽以插板式方法将标准模块化填料1的固定槽接口5插入填料固定槽进行安装，所述池体内间隔设置有6800个标准模块化填料，所述标准模块化填料之间的间距为2cm；所述进水口7与邻近进水端的第一块标准模块化填料之间距离为20cm，所述出水口8与邻近出水端的第一块标准模块化填料之间距离为30cm。同时，池体的顶部由盖板11覆盖，为保证气体交换湿地顶部盖板应设置孔径。
参阅图8-11，本实用新型的人工湿地还可以在池体内部设置用于固定标准模块化填料的人工笼箱14，用于应对较大面积规模下技术应用稳定性的提升。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的任何限制。通过参照典型实施例对本实用新型进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本实用新型权利要求的范围内对本实用新型作出修改，以及在不背离本实用新型的范围和精神内对本实用新型进行修订。
1.一种标准模块化填料，其特征在于，所述标准模块化填料包括块体，所述块体的侧面上设置有凸起，所述凸起与所述块体的侧面夹角小于80°，所述凸起与侧面之间形成有用于富集微生物的微生物富集槽。
2.根据权利要求1所述的标准模块化填料，其特征在于，所述微生物富集槽的厚度与所述块体的厚度比为1:(1.2-5)。
3.根据权利要求2所述的标准模块化填料，其特征在于，所述微生物富集槽内设置有用于供微生物生长富集的物化载体材料。
4.根据权利要求1所述的标准模块化填料，其特征在于，所述标准模块化填料还包括贯通所述块体的通孔。
5.根据权利要求4所述的标准模块化填料，其特征在于，所述通孔的截面为圆形或方形。
6.根据权利要求4所述的标准模块化填料，其特征在于，所述通孔的总体积占所述块体总体积的10-80％。
7.根据权利要求1所述的标准模块化填料，其特征在于，所述标准模块化填料的抗压强度大于100n。
8.一种水平潜流人工湿地，其特征在于，包括：
池体，所述池体中设置有如权利要求1-7中任一项所述的标准模块化填料，以及设置在所述池体的底部的填料支撑架；
其中，所述填料支撑架用于支撑所述标准模块化填料。
9.根据权利要求8所述的水平潜流人工湿地，其特征在于，所述填料支撑架与池体底面之间形成有沉积物收集槽，所述沉积物收集槽用于污水中悬浮物沉降。
技术总结